新闻网讯（通讯员 胡浩 杨明）7月30日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线刊发了我校国家脉冲强磁场科学中心杨明老师与清华大学王亚愚教授团队在超强磁场下陈绝缘体的拓扑相变方面的合作研究成果《陈绝缘体MnBi2Te4中强磁场诱导的零级霍尔平台态》（Magnetic-field-induced robust zero Hall plateau state in MnBi2Te4 Chern insulator）。该成果是强磁场中心用户基于脉冲强磁场设施电输运实验平台取得的重要研究进展，利用脉冲强磁场下微纳器件输运测量技术，首次在61T超强磁场下研究了陈绝缘体的演化规律。杨明与清华大学刘畅、王永超为论文共同第一作者，清华大学王亚愚教授、张金松副教授和徐勇教授为论文共同通讯作者，强磁场中心王俊峰研究员和博士生朱海鹏参与相关工作。

以拓扑绝缘体为代表的拓扑量子材料是近年来凝聚态物理的重要研究领域。由于非平庸的拓扑能带结构，拓扑绝缘体与真空的边界上会出现无能隙的金属性拓扑表面态。在二维非磁性拓扑绝缘体中，由于时间反演对称性的保护，这种拓扑表面态由一对自旋相反、运动方向相反的一维螺旋式边缘态（helical edge state）构成。在磁性拓扑绝缘体中，由于时间反演对称性的破缺，两支对流的边缘态中只会保留一支手性的边缘态（chiral edge state），从而产生量子反常霍尔效应态，也叫做陈绝缘体态。此前关于陈绝缘体的实验研究主要关注低磁场下的量子化行为，而陈绝缘体在强磁场下的演化规律还是一个未知的领域。

该研究中，王亚愚教授团队借助脉冲强磁场下微纳器件输运测量技术，在本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中发现了陈绝缘体在高达61特斯拉的超强磁场下存在一个以零级霍尔平台和螺旋式边缘态输运为典型特征的新拓扑物态（图1）。研究发现，当MnBi2Te4的费米能被栅极电压(Vg)调到带隙中间区域时，样品在外磁场的诱导下首先进入铁磁陈绝缘体态。而随着磁场的进一步增加（B>15T），霍尔电阻被压制到一个非常宽的零级平台上。随着费米能被Vg调向价带，零级平台展示出了强大的稳定性，在某些Vg下零级平台的宽度可以达到50T（如图1b上方数据所示）。随着费米能被调到价带和导带更深的位置（图1c、d），MnBi2Te4在强磁场下展现出由于朗道能级造成的整数量子霍尔效应。然而与传统的量子霍尔效应不同，无论费米能位于导带、价带还是能隙中，霍尔电阻在强磁场下都会趋向于零级平台。

研究团队提出了强磁场中朗道能级和塞曼效应（Zeeman effect）诱导的能带反转协同作用的图像，利用陈数符号相反的螺旋式边缘态来解释这种强磁场下零级霍尔平台的出现。能带理论计算表明，MnBi2Te4在铁磁陈绝缘体态的能带由一对拓扑平庸（蓝色）和一对拓扑非平庸的（红色）能带构成，这两者分别贡献了陈数0和-1（图2a）。随着磁场的增加，导带和价带中电子的轨道运动形成朗道能级，因此当费米能位于价带顶附近时，原本陈数为-1的红色能带和陈数为+1的空穴型朗道能级共同贡献了一个零级平台。另一方面，由于自旋取向不同，更强磁场下的塞曼效应使得原本拓扑平庸的能带发生反转，同时原本价带中贡献+1的朗道能级转移到导带，因此当费米能位于带隙中时（黑色虚线），两套陈数相反的拓扑能带贡献了零级平台。同时，该团队研究了不同器件构型下的强磁场边缘态输运，测量到只有螺旋式边缘态才能贡献的量子化非定域电阻，验证了陈数符号相反的螺旋式边缘态的存在（图2b）。

该项工作首次发现陈绝缘体在强磁场作用下演化到一个具有螺旋式边缘态的新拓扑量子态，对于研究磁有序与拓扑的相互作用，以及在极端条件下创造新奇拓扑量子物态具有重要价值。研究中，脉冲强磁场设施为研究陈绝缘体在强磁场下的演化以及探索极端条件下的新奇拓扑量子物态提供了强有力的平台支撑，基于脉冲强磁场下微纳器件输运测量技术，采用微安级别直流测试方案，克服了微纳器件样品在脉冲强磁场复杂条件下的不稳定性，历时数月对多个不同样品进行了系统细致地栅极调控以及强磁场下不同构型的输运测量。

该项工作得到国家自然科学基金委、科技部、北京量子信息科学研究院，以及北京未来芯片技术高精尖创新中心的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25002-x